[发明专利]基于纳米压痕和有限元模拟反演标定金属材料微观本构参数的方法

说明书

本发明公开了基于纳米压痕和有限元模拟反演标定金属材料微观本构参数的方法，首先采用位移控制在金属材料表面进行纳米压痕测试，获得实验压痕响应；再在ABAQUS或standard模块下建立纳米压痕有限元模型，对步骤S1中所述金属材料上的纳米压痕测试过程进行有限元模拟，获得模拟压痕响应；通过构建多目标优化平台，并设定优化目标和约束条件，利用基于FMOGA‑II算法的多目标优化方法获得非劣最优解集合Pareto Front后确定唯一最优解；该方法成本低廉、运算高速精确、简单易行，广泛适用于多金属材料微观本构参数的反演标定，在计算力学、实验力学以及工程实际应用中都具有很高的实用价值。

技术领域

本发明属于材料力学性能表征技术领域，具体涉及一种多目标优化的基于纳米压痕和有限元模拟反演标定金属材料微观本构参数的方法。

背景技术

纳米压痕是一种实施起来相对简单、方便且应用广泛的力学测试方法，由于其具有作用区域小(微米级别)、测试精度高(载荷在微牛级别，位移在纳米级别)等优点，尤适于包括金属、高分子、陶瓷、玻璃、半导体，薄膜、镀层等多种固体材料的弹性模量、屈服强度、断裂韧性、应变硬化指数等多种力学性能指标在局部材料上的表征和测量。

有限元方法由于其强大的功能和广泛的适用性，已发展成为桥接实验力学和计算力学的重要纽带。Ludwik各向同性硬化本构模型可以较好的描述绝大部分金属材料的弹-塑性变形行为，是应用最为广泛的金属材料本构模型之一。目前，有限元模拟中金属材料本构参数的标定主要有实验方法和参数反演法。实验方法一般是通过特定形状和尺寸试件的单轴拉伸、单轴压缩、纯剪切等测试来获得金属材料的应力-应变关系，再通过特定的本构模型对实验数据的最小二乘法拟合来标定本构参数。由于通常试件尺寸较大，且受到简单加载条件的约束，实验方法标定的本构参数往往不能准确描述材料的局部、复杂变形行为。参数反演法是根据具体应用场合的实测数据如纳米压痕测试得到的压痕响应，通过最优化算法结合有限元模拟来逆向演算被测材料本构参数。以应用场合的实测数据为目标，保证本构模型对实际力学行为描述的准确性，参数反演法已成为当前标定材料本构参数最主要的方法。但文献资料表明，对于利用纳米压痕反演标定本构参数，开展的研究非常少，且均为单目标优化，仅考虑加载载荷-位移曲线(Loading P-h curve)的形状作为优化目标，导致所获得的非劣解集通常都较为庞大，无法得到确切的唯一最优解，因而难以实现微观本构参数的精确反演标定。

发明内容

为克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于纳米压痕和有限元模拟反演标定金属材料微观本构参数的方法。通过金属材料上的纳米压痕测试获得包括载荷-位移曲线((P-h curve)_Exp)、最大载荷(P_maxExp)、接触刚度(S_Exp)和接触硬度(H_Exp)在内的多种实验压痕响应，通过ABAQUS建立纳米压痕有限元模型，基于Ludwik各向同性硬化本构模型模拟金属材料上的纳米压痕过程；再联合使用modeFRONTIER、ABAQUS和Python搭建多目标优化平台，以Ludwik各向同性硬化本构模型的初始参数为输入变量，以正交化卸载载荷-位移曲线(Unloading P-h curve)的最小二乘距离(q(P/P_max))、最大载荷差(ΔP_max)、接触刚度差(ΔS)和接触硬度差(ΔH)作为优化目标，利用基于FMOGA-II算法的多目标优化方法获得较为集中的非劣最优解集合Pareto Front；然后通过多准则决策技术(MCDM)从非劣最优解集合Pareto Front确定唯一最优解，并标定金属材料的微观本构参数。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

基于纳米压痕和有限元模拟反演标定金属材料微观本构参数的方法，包括以下步骤：

S1、金属材料表面纳米压痕测试；

步骤S1中所述的纳米压痕测试为：采用位移控制在金属材料表面进行纳米压痕测试，获得实验压痕响应；